超重原油及油沙沥青的开发.

超重原油及油沙沥青的开发. 重质原油及油砂沥青的开发和改质 石油化工科学研究院 祖德光 (1) 重质原油及油砂沥青的开发 〔摘要〕世界上重质原油(稠油)和沥青砂等非常规原油资源较丰富。据研究，今后全球能源的巨大缺口将主要依靠重质原油及油砂沥青等非常规原油来弥补。因此炼油工业将面临新的挑战，故有必要了解国内外重质原油及油砂沥青等非常规原油的开采与改质情况，本文介绍了重质原油的定义及分类标准，重质原油及油砂沥青的组成特点及资源情况，此外并介绍了重质原油及油砂沥青的露天开采和地下开采方法。 关键词:重质原油，稠油， 油砂沥青。 世界上重质原油和沥青砂等非常规原油资源较丰富。据报导，仅加拿大已探明的油砂资源量就相当于整个中东地区的石油蕴藏量。而目前，绝大部分常规原油已投入开发，且采出程度相对较高。预计常规原油产量将在今后的I5—20年内达到峰值，然后进人递减期。但是(随着世界经济尤其是发展中国家经济的发展，能源消耗量呈现出较大幅度的增加。据美国能源部信息管理局预测(从1995年至2015年间，世界能源消耗量将增长54,。其中亚洲的发展中国家将增长129%。能源的巨大缺口将主要依靠重质原油等非常规原油来弥补。至21世纪中期，非常规重质原油产量将占原油总产量的一半以上。我国国内情况也大致如此，在全国第二轮油气资源评价中，对我国石油资源质量有过估计,其中常规的石油资源量8为530，10 t，占全国总石油资源量的56%。而重质原油和低渗透原油资源量为 8410，10 t，占44%。我国近期开发的渤海原油、塔河原油都是难加工的非常规重质原油。因此，有必要了解国内外重质原油及油砂沥青等非常规原油的开采与改质情况，并进一步发展我国重质原油及渣油加工的技术, 一重质原油的定义及分类标准 通常将粘度高、密度大的原油称之为重质原油，以前各产油国对重质原油的定义及分类标准很不一致，为此联合国训练研究署(UNITAR)于1982年2月在委内瑞拉召开的第二届国际重油及沥青砂学术会议上提出了统一的定义和分 [1]类标准，其主要内容如下: (1)重质原油和油砂沥青是天然存在于孔隙介质中的石油或类似石油的液体或半固体。 (2)这种原油可以用粘度和密度来示其特性。 (3)在确定国际石油资源时，应当采用粘度给重质原油和油砂沥青规定界限，当粘度数据缺少时，则采用重度值(?API)。 (4)重质原油是指在原始油藏温度下脱气原油粘度为100,10000 mPa?s或 3者在15.6?(60?)及大气压力下密度为934,1000 kg/m的原油。而原始油藏温度下脱气原油粘度小于10000 mPa?s，但在15.6?(60?)及大气压力下密度 3大于1000 kg/m的原油则称为超重原油。 (5)油砂沥青是指在原始油藏温度下脱气原油粘度超过10000 mPa?s，或者 3在15.6?(60?)及大气压力下密度大于1000 kg/m(小于10?API)的石油。 (6)将上述以外的原油分类为中质原油及轻质原油。 我国原中国石油天然气总公司勘探开发科学研究院刘文章教授根据中国重 [2]质原油(稠油)的特点，推荐的中国重质原油(稠油)的分类标准，见表1。 表1 中国重质原油(稠油)分类标准 稠油分类 主要指标 辅助指标 开采方式 3名称 类别 粘度，mPa?s 密度(20?)，kg/m ?? 50?(或100),10000 ,9200 — ??普通稠油 ?-1 50?,150? ,9200 可以先注水 亚类 ???-2 150?,10000 ,9200 热采 ??特稠油 ? 10000,50000 ,9500 热采 超稠油 (天然沥? ,50000 ,9800 热采 青) ? 指油层条件下原油粘度;无?者指油层温度下脱气原油粘度。 二 重质原油及油砂沥青的组成特点 据研究重质原油及油砂沥青的形成，主要受盆地后期构造抬升的影响，使早期形成的古油藏抬升而接近地表，使古油藏顶盖层封堵条件遭受不同程度的破坏，致使油藏中的轻组分大量流失，并且由于受地表水的氧化及生物降解作用，油藏中的环烷烃氧化成环烷酸，芳香烃氧化成酚、芳香酸;烷烃氧化成脂肪醇、酮、酸等;此外并使石油中的胶质、沥青质含量增加，石油被微生物降解会使其中某些烃类消失，烃类降解大致按如下的顺序进行:正构烷烃、异构烷烃、类异 [3]戊二烯烷烃、少环环烷烃、多环芳香烃。一般来讲，甾、萜类化合物比较稳定。 轻组分流失、生物降解和氧化作用的综合效应是形成密度大，粘度高的重质原油，重质原油中轻馏分含量低，不含蜡或含蜡很少，胶质及沥青含量高，一般在20%,50%之间，强烈的后期运移改造可使原油转化为天然沥青，表2、3是国内外一些有代表性的重质原油的性质。 表2 国外某些重质原油性质 地 区 加 拿 大 委内瑞拉 Tia 油 田 Athabasca Peace River Cold lake 油砂沥青 Bascan Juane -3 密度(15.6)/g?cm1.00,1.01 1.00,1.007 1.00,0.986 1.020 1.00,0.986 0.986 2-1粘度(100?)/mm?s 1000 100 100 (37.8?) 26200 3700 2-1/mm?s 10 17 0 凝固点，? 元素分析，% 83.1 82.2 83.7 C 10.6 10.0 10.6 H 4.8 5.6 4.7 4.82 5.2 2.7 S 0.4 0.1 0.2 0.4 0.65 N 1.1 2.1 0.9 O 7.8 8.2 7.9 C/H 39 - 23 胶质，% 18 19.8 15 9,17 5.8 沥青质，% -1金属含量/ug.g 250 240 209 1200 284 V 100 70 82 150 38 Ni 馏程，? 260 170 253 108 106 初馏点 285 255 291 5%馏出体积 0.8 3.6 -1酸值/mgKOH?g 表3 国内某些重质原油的性质 地 区 新疆 辽河 渤海 山东 油 田 九区 欢喜岭 绥中36-1 单家寺 -3密度68?/g?cm 0.9322 0.9609 0.9677 0.9719 2-1粘度50?/mm?s 436.7 486 781.8 6656 凝固点，? -18 4 -6 14 元素分析，% S 0.02 0.33 0.34 0.56 N 0.37 0.37 0.55 胶质，% 13.86 18.0 23.0 26.1 沥青质，% 0.45 1.34 0 0 -1金属含量/µg?g V 0.7 1.0 3 Ni 38.4 42 42 -1酸值/mgKOH?g 4.82 2.22 2.33 7.4 三 重质原油及油砂沥青的资源 8全球重质原油资源非常丰富，据研究全世界常规原油的可采贮量为1428×10 t，而重质原油的可采贮量则比其高数倍，据统计全世界有1046个重质原油和超 88重原油油藏，地质贮量约15500×10 t，在现有技术下可采贮量达3000×10 t，世界上重质原油资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国和俄罗斯，而我国重 [4]质原油资源量则位居世界第五(见表4)。 表4 世界主要重质原油资源国家的储量 8国 家 探明的地质储量，×10 t 加拿大 1560 委内瑞拉 930 俄罗斯 500 美 国 250 中 国 20,30 我国重质原油分布广泛，在已经勘探或开发的大多数含油气盆地中都有发现，据不完全统计，在22个盆地中有152个重质原油油藏，至1990年底，全国 8探明的重质原油储量为29.5×10 t。在“七五”期间我国东部发现的埕岛、绥中36-1、流花11-1等都是亿吨级的重质原油油藏，过去由于开采重质原油的难度大，其开发利用的程度很低，1989年全国仅动用了重质原油地质储量的四分之一，而且采收率仅为5.4%，80年代中后期，我国引进、吸收国外的重质原油开采的先进技术，先后在辽河、胜利、新疆等重质原油油区进行试验并获得了良好的增产效果，这些先进技术的推广使我国重质原油的产量大幅度增长，预计未来重质原油在我国油气能源增长及产量构成方面的作用将日益显著。 四 重质原油及油砂沥青的开采 重质原油及油砂沥青的开采根据地质条件的不同，可采用露天开采和地下开采的方法。 1(重质原油及油砂沥青的地下开采 重质原油的地下开采通常可采用蒸汽吞吐、蒸汽驱的方法，但对于超重原油及油砂沥青，上述方法经济上或技术上并不非常有效，需采用更先进的技术，例如:蒸汽辅助重力量驱油(SAGD)，蒸汽-氮气辅助重力驱油，超临界溶剂萃取驱油等。 (1.) 水平井蒸汽辅助重力驱油技术(SAGD) 水平井蒸汽辅助重力驱油是开采重质原油的一项前沿技术，此方法的基本原理是:以蒸汽作为热介质通过流体热对流及热传导作用的结合，依靠重力作用开采重质原油，水平井蒸汽辅助重力驱油可以有不同的应用方式，一种是平行水平井方式，即在靠近油藏的底部钻一对上下平行的水平井，上面的水平井注汽，下面的水平井采油，另一种是水平井与直井相结合的方式，即在油藏底部钻一水平井，在其上方钻一口或几口垂直井，垂直井注汽，水平井采油。 (2). 蒸汽-氮气辅助重力驱油(SAGP) 此项技术就是在SAGD的过程中将非凝析气体例如氮气随蒸汽一起注入油藏，气体聚集在蒸汽腔的上部，这样可使同一油层压力下的蒸汽腔室得到进一步扩展，同时由于氮气的导热系数小，所以减少了向上岩层的热损失。由于此项技术使所需的蒸汽量减少，因而节约了费用，提高了蒸汽的利用率。 (3.) 重质原油注气体溶剂萃取的开采技术(VAPEX) 注蒸汽是开采重质原油的有效技术，然而并不是所有的油藏都适合注汽开采，薄油层、粘土矿物等易发生变化的油层，以及底水油藏都不适宜用注蒸汽的方法开采，这些油藏需要有成本较低的冷采技术开采。 目前应用水平井注气体溶剂的办法是一种很有前途的重质原油冷采技术，该方法是蒸汽辅助重力驱油的一种发展，在VAPEX中，不是注蒸汽而是注烃类气体，烃类气体包括乙烷、丙烷、丁烷，既可以是一种气体，也可以是几种气体的混合物，注入的气体在地层的温度及压力的条件下，处于临界状态，原油被气体溶剂溶解，轻组分被抽提出来并形成稀释溶液，流动性大为提高，采出液在地面经过加热很易分离，分出的烃类气体又可注入地层，与SAGD相比，VAPEX所需设备便宜，操作简单。 2超重原油及油砂沥青的露天开采 虽然超重原油及油砂沥青可用地下开采方法开采，但在加拿大超重原油及油砂沥青中只有1/3是用地下开采方法开采出来的，主要原因是地下开采方法能耗高，沥青开采收率只有10,30%，而露天开采，沥青采收率可高达90%。 加拿大是当前世界上大规模露天开采油砂沥青的国家，年采掘沥青油砂3,4 8 ×10t，通常2吨油砂可生产1桶沥青。 沥青油砂是一种沥青、水、粘土及石英砂粒的混合物，沥青含量在6%,20%的范围内，平均为12%左右，沥青含量低于6%则认为开采价值不高。水含量为3,6%，其余为粘土及石英砂粒。 石英砂粒是沥青油砂的主要成分，其外部为含粘土的水所包围，沥青则沉积在有水作外壳的石英砂粒间之空隙中，所以沥青可以通过热水抽提的方法从沥青油砂中分离出来。 沥青油砂开采前，一般需用2,3年的时间排干沼泽和剥离平均厚度约15M的表土层，之后使用链斗式挖掘机对油砂进行开采，开采出来的油砂通过传送系 4 统或卡车运送至筛分工厂。一个生产能力为1000×10t/a的合成油工厂，每天需 4 开采油砂45×10t，宽为1.8M的皮带运输机长度达数十公里。 沥青油砂运送到筛分工厂以后，经过破碎，与95?热水在大型转鼓混合罐中混合制成固体含量为80,85%的浆液，为使沥青与矿砂容易分离，在制浆过程中加碱使浆液的PH值保持在8.0,8.5的范围内。此后，制成的浆液通过振动筛分出浆液中的大块油砂，并进一步用热水稀释使浆液中固体含量降低至50%左右。然后进入第一沉降分离器。 浆液在第一沉降分离器中停留时间约20分钟，沥青以稠粘浮渣的形式从器顶分出，而矿砂则自器底排出并用泵抽送至尾矿池，而某些不易漂浮的沥青则与粘土在一起形成中间层。 为从中间层进一步使沥青分离，将中间层抽出送至另一分离器，通过吹气及搅拌，使中间层中的沥青以第二浮渣的形式自器顶分出，粘土则自器底排出并送入尾矿池。 经热水制浆分离得到的第一、第二沥青浮渣，通常沥青含量只有60%左右，仍含有30%左右的水和约10%的固体物质，因此这些浮渣需进一步精制，首先利用蒸汽与沥青浮渣逆流接触，使沥青浮渣中所含空气被汽提出来，以避免空气与石脑油接触产生爆炸，脱气后的浮渣然后与重量比约0.7的石脑油混合进入一级离心机，除去一部分较大的矿渣，再进入二级离心机以除去较细的固体粉末及水分，这样得到的油砂沥青其性质见表5， 沥青油砂热水抽提的见图1， 热 [5-6]水抽提的物料平衡见图2。 表5 油砂沥青的性质 3密度(15?)， g/cm 1.029,1.007 ,565?渣油，% 50,55 S，% 4,6 N，% 0.4,0.6 Ni+V，µg/g 300,500 沥青质，% 16,19 残炭，% 12,14 1-转鼓混合罐 2-震动筛 3-第一沉降分离器 4-第二沉降分离器 5-脱气塔 6-一级离心机 7-二级离心机 8-尾矿池 图1 油砂热水抽提流程 1000kg 100% 沥青油砂 110kg 11% 沥青 11% 700kg 70% 砂石 140kg 14% 粘土 50kg 5% 水份 900kg 添加水 930kg 70kg 7% 热水抽提 大块油砂 1kg 11% 沥青 16kg 70% 砂石 44kg 14% 粘土 95kg 沥青 9.5% 1735kg 尾矿物流 100% 9kg 水份 5% 961kg 55% 建筑堤坝 774kg 45% 稀渣 5kg 0.5% 沥青 9kg 沥青 1.1% 682kg 71.0% 砂石 2kg 砂石 0.3% 51kg 5.3% 粘土 45kg 粘土 5.8% 223kg 23.2% 水份 718kg 水份 92.8% 图 沥青油砂热水抽提的物料平衡 – 2 重质原油特别是超重原油及油砂沥青，粘度很大，并且含有大量的硫、氮及金属化合物，因此很难输送或炼制，超重原油及油砂沥青采出后，故需在油田附近改质成可输送的或可炼制的合成原油，作者将在下一篇文稿中进一步介绍加拿大，委内瑞拉等国家超重原油及油砂沥青生产及改质的经验 参考文献 [1] 刘文章. 国际重质原油开采会议论文集. 北京:石油工业出版社，1985 [2] 刘喜林. 难动用储量开发稠油开采技术. 北京:石油工业出版社，2005 [3] Hu Jiangi. 7ch Unitar International Conference on Heavy Crude and Tar Sand， Beijing, China, 1998 [4] 曾凡刚. 中国重质原油的分布和地球化学特征. 北京:石油工业出版社，1999，1,19 [5] D.G. Adam Third International Conference on Heavy Crude and Tar Sands 。California, 1985, 955,971 [6] B.D. Prasad Third International Conference on Heavy Crude and Tar Sands California, 1985, 1038,1053 中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果